Sistema sensor y procedimiento para detectar los ejes de los trenes utilizando fibra óptica y cámaras de tiempo de vuelo.

Dispositivo sensor y procedimiento para detectar los ejes de los trenes,

utilizando fibra óptica y cámaras de tiempo de vuelo. El dispositivo está constituido básicamente por una cámara de tiempo de vuelo (1), un foco emisor de luz infrarroja (2) y un mazo de fibra óptica (3). El procedimiento se basa, en a partir de la información proporcionada por la cámara de tiempo de vuelo, enfocada a un terminal del mazo de fibra óptica, obtener información de las ruedas y determinar el instante en que pasa el centro de éstas. El foco emisor de luz infrarroja se utiliza para iluminar la escena a través de un terminal del mazo de fibra óptica. El uso del mazo de fibra óptica permite iluminar y capturar imágenes 3D a gran distancia de la cámara de tiempo de vuelo y del foco emisor de luz infrarroja, pudiéndose ubicar éstos lejos de la vía.

SISTEMA SENSOR Y PROCEDIMIENTO PARA DETECTAR LOS EJES DE LOS TRENES UTILIZANDO FIBRA ÓPTICA Y CÁMARAS DE TIEMPO DE VUELO

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Detectar y contar el número de ejes de trenes, en diferentes puntos de las vías férreas, es una tarea de vital importancia para el correcto funcionamiento de los sistemas ferroviarios, ya que permiten la comprobación de su integridad, y así, la reducción en el número de accidentes. Los sistemas encargados de detectar el paso de ejes se conocen como "Detectores o Sensores de Ejes".

Los detectores de ejes se utilizan en diferentes tareas relacionadas con la seguridad de los sistemas ferroviarios, como pueden ser: la detección de la presencia de trenes, la medición de la velocidad de circulación, y el conteo del número de ejes que entran y salen de un desvío o sección del trazado ferroviario, entre otras. Por ello se requiere que sean sistemas muy fiables y robustos.

La presente memoria descriptiva se refiere a un sistema sensor desarrollado para detectar y contar el paso de los ejes de los trenes por un punto de las líneas férreas.

SECTOR DE LA TÉCNICA

Esta invención tiene su aplicación dentro de la industria dedicada a la fabricación de instrumentos de medida, específicamente en los sistemas de supervisión y seguridad del sistema de transporte ferroviario.

ESTADO DE LA TÉCNICA

En los sistemas ferroviarios actuales existen soluciones destinadas a detectar el paso de los ejes de los trenes, una de ellas es el uso de pedales electromecánicos y ópticos [1] que emiten una señal eléctrica al ser presionados por una rueda. Esta solución tiene los inconvenientes de que al tener contacto físico con las ruedas o la vía sufren desgaste físico y su vida útil es corta y en los trenes de alta velocidad pueden omitir el paso de ejes consecutivos debido a la propia inercia de las partes mecánicas del sensor. Otras soluciones, que no requiere contacto físico con los trenes, son los sensores electromagnéticos [2-8]. Los sensores electromagnéticos, aunque son los más usados, presentan problemas relacionados con la dificultad de ubicación y posibles fallos

derivados de su sensibilidad con respecto a la posición relativa del emisor y receptor y a las vibraciones. Además, son sistemas susceptibles a las interferencias electromagnéticas del entorno, lo que hace que no respondan a las exigencias de fiabilidad que demandan estos sistemas, y, en algunos casos, requieren electrónica en vía, lo que constituye otro factor negativo en su fiabilidad de detección. La eliminación de la electrónica en vía y el uso de sistemas inmunes a las interferencias electromagnéticas son dos de los criterios que se imponen en cualquier sistema relacionado con la seguridad en entornos ferroviarios [9].

Con el objetivo de darle una solución a esta problemática se ha diseñado un sistema sensor óptico, no invasivo, que permite detectar el paso de las ruedas a distancia, sin necesidad de incluir ninguna electrónica en vía y completamente inmune a las interferencias electromagnéticas. Además, por el método de medidas utilizado el sistema es inmune a las vibraciones del sensor.

Por parte de los solicitantes de esta patente no se tiene conocimiento de la existencia en la actualidad de una invención que tenga características similares a las que se describen en esta memoria.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente memoria descriptiva se refiere a un procedimiento y un sistema sensor desarrollados para detectar el paso de los ejes de un tren y contar el número de estos para verificar, entre otros factores, la integridad de los convoyes ferroviarios. Este procedimiento y sistema sensor se caracterizan por conseguir una alta velocidad de auscultación, la realización de las medidas sin necesidad de contacto físico con ningún elemento del tren, la total inmunidad a las interferencias electromagnéticas y a las vibraciones del sensor, y la ausencia de electrónica en vía.

La esencia de la invención que aquí se propone está basada en detectar con una exactitud de milisegundos el instante en que pasa una rueda por el punto donde se encuentra ubicada la cabeza óptica del sensor. Para ello se utiliza una cámara de tiempo de vuelo, un foco emisor de luz infrarroja, un mazo de fibra óptica, una cabeza óptica, un separador o bifurcador, dos mazos terminales de fibra óptica, una óptica de enfoque acoplada a la cámara de tiempo de vuelo, una óptica de enfoque acoplada al foco emisor de luz y una tarjeta de sincronización.

La cámara de tiempo de vuelo, basa su funcionamiento en el principio de que cada uno de los pixeles determina la distancia desde el sensor al objeto, mediante la medida muy precisa del tiempo que tarda en llegar una luz hasta dicho objeto y retomar hasta el sensor. Además, este tipo de cámara captura la información relativa a la intensidad luminosa que llega a cada pixel, proporcionando dos matrices de datos, una correspondiente a los niveles de intensidad y otra a las distancias entre un punto de la escena y el sensor.

El foco emisor de luz ilumina en el espectro infrarrojo para garantizar el funcionamiento diurno y nocturno del sistema, incluso en condiciones extremas de iluminación ambiental. Además se utilizan estrategias que reducen el efecto de la iluminación ambiental. También hay que tener en cuenta que por normativas de seguridad europeas en la estructura ferroviaria no se puede iluminar en el espectro visible, ya que puede producir confusión con el sistema de señalización vial.

A partir de las matrices de datos capturadas con la cámara de tiempo de vuelo, se calcula el instante en el que pasa cada una de las ruedas del tren por el punto donde se encuentra ubicada la cabeza óptica del sensor.

El procedimiento y dispositivo sensor que se proponen patentar también tienen capacidad de realizar una calibración automática de la cámara de tiempo de vuelo, dependiendo de las condiciones atmosféricas (niebla, nieve, lluvia, iluminación solar, etc.).

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, dos hojas de figuras en las cuales, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

En la figura 1 se muestra un esquema en bloques donde se representan los componentes del sistema sensor.

En la figura 2 se muestra la ubicación de la cabeza óptica en la vía al lado del raíl.

En la figura 3 se representa la ubicación de la cabeza óptica en un poste situado al lado de la vía.

MODO DE REALIZACIÓN

A la vista de la figura 1, puede observarse que el sistema sensor para detectar los ejes de los trenes, está constituido por una cabeza óptica (4) acoplada a un mazo de fibra óptica (3) que es separado en dos mazos terminales (6) por un bifurcador (5). A uno de los terminales (6) se acopla, mediante una óptica de enfoque (8), el foco emisor de luz infrarroja (2) para iluminar la escena a captar. Por el otro terminal (6), a través de una óptica de enfoque (7) se conecta a la cámara de tiempo de vuelo (1). La cabeza óptica

(4) se debe ubicar de tal forma que la zona por donde pasan las ruedas (10) se encuentre dentro de su campo de visión. La tarjeta de sincronización (9) es la encargada de dar las órdenes de emisión al foco emisor de luz (2) y de comienzo de captura a la cámara de tiempo de vuelo (1). La información capturada por la cámara de tiempo de vuelo (1), es enviada a un procesador que actúa como unidad de procesamiento y visualización.

El procedimiento de medidas se basa en buscar secuencialmente en las matrices de datos capturados por la cámara de tiempo de vuelo (1) la información correspondiente al reflejo de luz emitida por el foco emisor (2) en las ruedas (10). Con dicha información se determina el instante en que pasa el centro de las ruedas. Para saber en cada instante si el sistema está funcionando correctamente, se hace un análisis tanto de la información de distancia como de la imagen de intensidad, proporcionadas ambas por la cámara de tiempo de vuelo, ante secuencias patrones de iluminación, lo que permite determinar si el sensor sigue activo o tiene algún problema de funcionamiento.

REFERENCIAS

[1] Sensor Une. "Fiber Optic Rail Pad Sensor". Disponible en línea en http://sensorline.de/home/paQes/application-areas/railroad/fiber-optic-rail-pad- sensor.php [Último acceso 03/Abril/2013].

[2] Ingeniería y Control Ferroviario. "Sensor detector de ejes SDE-900". Disponible en línea en http://www.icf.com.es/pdf/SPN-900 SDE-900 ES.pdf...

1. Sistema sensor para detectar el paso de los ejes de los trenes por las vías férreas, 5 caracterizado porque el sistema sensor está compuesto por una cámara de tiempo

de vuelo, una cabeza óptica, un foco emisor de luz infrarroja, dos mazos de fibra óptica, dos ópticas de enfoque y un procesador de señales. El foco emisor de luz infrarroja se acopla, mediante una óptica de enfoque, a un extremo de un mazo de fibra óptica, para iluminar la escena con el otro extremo del mazo acoplado a la 10 cabeza óptica, y la información de la escena se obtiene a través del otro mazo de

fibra óptica, conectado mediante una óptica de enfoque a la cámara de tiempo de vuelo, que a su vez se conecta al procesador que actúa como unidad de procesamiento y visualización.

2. Procedimiento para detectar el paso de los ejes de los trenes por las vías férreas,

utilizando el sistema sensor de la reivindicación 1, caracterizado por las siguientes etapas:

(a)

(b)

(c)

Capturar de forma secuencial, a través de una cámara de tiempo de vuelo, las matrices de datos (de niveles de intensidad luminosa y de distancias).

Comparar los valores actuales de las matrices de niveles de intensidad y de distancias con los obtenidos en la captura anterior, para obtener un coeficiente de variabilidad. En el caso de que este coeficiente de variabilidad no sobrepase un determinado umbral se considera que el sistema no está operativo y se genera una alarma, en caso contrario se continúa en la etapa (c).

Comparar el valor del coeficiente de variabilidad con otro umbral obtenido de forma empírica, y que está relacionado con la luz reflejada en las ruedas, como consecuencia de la luz emitida por el foco emisor infrarrojo. En caso de que el valor del coeficiente de variabilidad sea menor que el umbral se vuelve a la etapa (a), en caso contrario se continúa en la etapa (d).

(d) Determinar, a partir de la matriz de distancias, la posición longitudinal de las ruedas del tren con respecto al sensor, en el instante de captura. Con ello determinar el instante en que pasa el eje central de las ruedas. Volver a la etapa (a).